충전기 테스트 접근 방식

상시 작동 충전기는 일반적으로 고정된 출력을 제공합니다. 예를 들어, 납산 트리클 충전기는 작은 정전류 (CC) 출력만 제공합니다. 이 충전기 유형은 정전압 (CV) 또는 정저항 (CR)을 가진 전기 로드를 사용하여 검증할 수 있습니다.

드문 경우지만, 이 충전기 유형은 충전 프로파일 중에 CC 또는 CV를 제공할 수 있습니다. 이 경우에도 정저항 (CR)을 로딩하여 전자 로드를 계속 사용할 수 있습니다. NI 로드는 CC, CV 및 CR을 제공하므로 상시 작동 충전기를 최대한 유연하게 평가할 수 있습니다. 

배터리 충전기는 먼저 배터리에서 전압을 감지하거나, 외부 인터록이 닫히거나, 두 경우가 모두 발생할 때까지 출력 전압 또는 전류를 제공하지 않을 수 있습니다. 충전기는 이러한 배터리 감지 조건을 사용하여 안전하게 배터리 충전을 시작하는 방법을 결정할 수도 있습니다. 예를 들어, 충전 프로파일은 온도가 허용 가능한 수준에 도달할 때까지 기다리거나 완전히 방전된 배터리를 복구하기 위한 추가적인 사전 충전 단계를 포함할 수 있습니다. 

이러한 경우, 테스트 픽스처에는 충전기를 "활성화"하는 데 필요한 소형 전원 공급 장치 또는 릴레이가 포함될 수 있습니다. NI 공랭식 로드는 디지털 I/O를 제공하므로 로드가 추가 테스트 픽스처 디바이스를 관리할 수 있습니다. 

NI는 충전기 또는 소형 전원 공급 장치에 켜짐 신호를 사용하도록 허용하는 연결을 제공합니다. 또는 사용자가 릴레이/스위치를 활용하면 충전기에 전원을 연결하여 충전기를 시동하고 나중에 전원 연결을 끊을 수 있습니다.

^{그림 1: 켜짐 신호 연결의 예}

충전기는 충전 중에 배터리 자체에서 전력을 줄이거나 끌어와서 배터리를 "테스트"할 수 있습니다. 일부 배터리 유형의 경우 내부 압력을 줄이거나, 배터리 자체 내에서 화학물질을 재흡수하기 위해 충전기가 적절하게 허용될 수 있도록 이러한 "테스트"가 필요합니다. 또는 일부 충전기는 배터리를 안전하게 충전하거나, 배터리의 상태를 확인하거나, 충전기의 자기 교정을 위해 이러한 "테스트"를 수행합니다. 충전기가 배터리를 “테스트”하는 방법과 충전기에서 예상되는 정상 배터리의 상태에 따라 검증에 사용되는 접근 방식이 결정됩니다.

^{그림 2: 컨트롤 PC와 소스 및 로드 결합}

NI 로드를 PC의 컨트롤 어플리케이션과 함께 전원 공급 장치와 결합하는 것은 특히, 충전기에 시뮬레이션 배터리의 빠른 응답이 필요로 하지 않는 경우 저전력 충전기 (<6 kW)를 위한 비용 효율적인 솔루션입니다. 이 경우 PC는 전원 공급 장치와 로드를 조정하여 충전 중 증가하는 배터리 전압을 시뮬레이션합니다.

이 시나리오에서는 전원 공급 장치와 로드를 제어하도록 PC를 프로그래밍하여 충전기가 배터리 "테스트"를 수행할 때마다 배터리가 실제로 어떻게 작동하는지 에뮬레이션할 수 있습니다. 이 경우 PC는 충전기가 전달하는 전압과 전류를 지속적으로 측정하고 전원 공급 장치와 로드를 조정하여 배터리 응답을 에뮬레이션합니다. 이 과정은 시뮬레이션된 전체 충전 프로파일에서 반복됩니다.

^{그림 3: 배터리 전압과 충전 전류 간의 관계}

충전 전류의 변화를 통해 배터리가 전압을 변경하는 이유를 먼저 이해하면 보다 직접적인 접근 방식을 구현할 수 있습니다. 충전기가 충전 전류를 줄이거나 역전시킬 때 배터리 터미널에서 나타나는 전압이 약간 감소합니다. 마찬가지로, 충전기가 추가 전류를 공급할 때 배터리 터미널의 전압이 약간 증가합니다. 두 가지 상황은 모두 배터리 화학물질과 와이어 연결의 내부 저항이 원인입니다.

NI 중전력 및 고전력 배터리 사이클러/에뮬레이터는 사용자가 직렬 저항 (RS)과 무부하 개방 회로 전압 (VOCV)을 프로그래밍할 수 있는 배터리 모드를 제공합니다. 프로그래밍되면 충전기로 들어가거나 충전기에서 나오는 전류의 방향과 레벨에 따라 시스템이 출력 터미널 전압을 자동으로 조정합니다.

조정은 하드웨어에서 처리되므로 시뮬레이션 속도가 빨라지고, 통합의 복잡성이 제거되고, PC가 테스트에 집중할 수 있습니다. 또한 충전기가 CC, CP 또는 CV 간에 변경되는 경우에도 터미널 전압 및 전류를 제어합니다.

^{그림 4: 동등한 배터리 모델}

^{그림 5: 배터리 모델의 수식}

충전기는 제조업체의 요구사항을 적절하게 충족하기 위해 출력을 변경합니다. 오늘날 많은 충전기가 배터리, 전력회사 또는 둘 다와 통신합니다. 충전소에서는 주파수를 안정화하거나 피크 수요 스파이크를 줄이거나 임시 백업을 제공하여 전력을 활성화할 수 있습니다.

배터리 관리 시스템 (BMS)과 통신하는 충전기는 반환되는 배터리 데이터 정보에 따라 출력을 조정합니다. 이러한 접근 방식은 노트북, 차량용 충전기 및 무선 전력 전송 시스템을 포함한 모든 크기의 충전기에서 찾아 볼 수 있습니다.

^{그림 6: EV용 고속 충전 시스템의 예}

테스트 스테이션은 배터리를 에뮬레이션하고 테스트 중인 충전기와 통신하기 위해 I2C, SMBUSS 또는 CAN과 같은 통신 인터페이스를 제공해야 합니다.

현재 그리드 사용률로 인해 충전기 출력이 변경될 수도 있습니다. 이러한 그리드 인식 충전기는 출력을 조정하여 충전을 줄이거나 일시 정지하거나 지연시킬 수 있습니다. 그리드 인식 충전기는 스마트 에너지 프로파일 (SEP)과 같은 표준 기반 프로토콜을 사용하여 스마트 그리드와 통신할 수 있습니다.

^{그림 7: EV용 유틸리티 관리형 충전 시스템의 예}

차량을 로컬 백업 전원으로 사용하거나 전력 수요가 피크일 때 전력회사를 지원하기 위한 여러 이니셔티브가 있습니다. 이러한 경우 충전기는 역할이 바뀌어 배터리에서 전력을 가져와 그리드를 보완하는 분산형 발전기의 역할을 하여 단기적인 전력 부족, 주파수 편이 또는 기타 그리드 문제를 해결합니다.

^{그림 8: EV 충전의 역할이 바뀌어 분산형 발전기로 작동하는 Vehicle-to-Grid (V2G) 시스템의 예}

NI는 소프트웨어 패키지와 문서화된 드라이버를 제공하므로 이러한 모든 사용 분야의 테스트 설정에 추가할 수 있습니다. 

전기 자동차 전도성 충전 시스템에 대한 국제 표준 (IEC 61851-1)에서는 다음과 같은 네 가지 EV 충전 모드를 정의합니다¹. NI의 DC 및 AC 전원 테스트 솔루션은 실제 조건을 에뮬레이션하며 EV 구성요소 및 시스템의 테스트 및 검증에 매우 중요합니다. 충전 모드에 따라 선택하는 테스트 솔루션이 달라집니다.

^{그림 9: EV 충전 모드 1~4(위에서 아래로)}

AC 충전

모드 1: 매우 느린 AC 충전

모드 1은 일반적으로 최대 16A의 가정용 표준 AC 콘센트에서 이루어지는 매우 느린 AC 충전으로, 통신 없이 온보드 충전기 (OBC)로 직접 충전됩니다.

모드 2/모드 3: 저속-반고속으로 AC 충전

모드 2는 최대 32 A의 느린 AC 충전인 반면에 모드 3은 최대 80 A의 반고속 AC 충전입니다. 모드 2 및 3에서 교류 (AC)는 전기차 충전 설비 (EVSE) 프로토콜을 사용하는 배터리 충전기인 내장 충전기 (OBC)로 공급됩니다. 충전 범위는 주거용 충전 시 모드 2에서 6 kW~22 kW이며 공용 충전소의 경우 모드 3에서 44 kW입니다. 두 모드 모두 통신 기능을 사용하여 충전을 제어합니다. 모드 2에서는 케이블 신호로 제어하며 모드 3에서는 케이블 신호와 통신 프로토콜이 둘 다 사용됩니다. 이러한 모드는 일반적으로 모드 4에 비해 인프라 비용이 낮고 가용성이 높습니다. 그러나 OBC를 사용하지 않는 모드 4와 달리 OBC를 사용하면 최대 충전 속도가 줄어들 수 있습니다.

^{그림 10: 저속-반고속 AC 충전 구성요소}

AC 충전을 위해 NI에서는 다음과 같은 장비를 제공합니다.

• 전력망을 시뮬레이션하는 NHR-9410 회생 그리드 시뮬레이터 시스템
• AC 로드를 에뮬레이션하는 NHR-9430 회생 AC 로드 시스템

^{그림 11: AC 충전 장비}

DC 충전

모드 4: DC 고속 충전

모드 4는 일반적으로 공용 충전기를 통한 고속 DC 충전입니다. 모드 4에서는 DC 전원이 배터리를 직접 충전합니다. 이 모드의 경우 OBC가 없기 때문에, 50 kW에서 300 kW 이상의 매우 높은 전력으로 충전될 수 있습니다. 이러한 고속 고전력 충전에는 케이블 신호 및 통신 프로토콜의 필요성을 포함하여 더 많은 인프라 비용과 더 높은 복잡성이 필요합니다.

^{그림 12: DC 고속 충전 구성요소}

DC 충전을 위해 NI에서는 다음과 같은 장비를 제공합니다.

• 전력망을 시뮬레이션하는 NHR-9410 회생 그리드 시뮬레이터 시스템
• 배터리 또는 DC 고속 충전기를 시뮬레이션하는 NHR-9200 중전압 DC 배터리 모듈 사이클러 및 에뮬레이터와 NHR-9300 고전압 DC 배터리 팩 사이클러 및 에뮬레이터

^{그림 13: DC 충전 장비}

그리드 시뮬레이션 및 에뮬레이션 (온보드 충전기 및 Vehicle-to-Grid)

EV 충전에 사용 시 테스트 엔지니어는 배터리 에뮬레이터를 사용하여 OBC와 같은 구성요소를 테스트합니다. 엔지니어는 실제 배터리가 이러한 구성요소에 연결되어 있다고 가정하여 더 빠르고 안전하며 반복 가능한 환경에서 테스트할 수 있습니다. NI는 다양한 EV 충전 모드를 시뮬레이션하거나 에뮬레이션하는 데 사용할 수 있으며 빠른 과도 전류 기능, 회생 전력, 내장형 안전 절연 릴레이, 접촉기 등을 갖춘 유연한 모듈형 배터리 테스트 솔루션을 제공합니다.

^{그림 14: 온보드 충전기 장비} 

• 전력망을 시뮬레이션하는 NHR-9410 회생 그리드 시뮬레이터 시스템
• 배터리 또는 DC 고속 충전기를 시뮬레이션하는 NHR-9200 중전압 DC 배터리 모듈 사이클러 및 에뮬레이터와 NHR-9300 고전압 DC 배터리 팩 사이클러 및 에뮬레이터

^{그림 15: Vehicle to Grid (V2G) 충전 장비}

• 그리드를 시뮬레이션하는 NHR-9410 회생 그리드 시뮬레이터 시스템
  
• AC 로드를 에뮬레이션하는 NHR-9430 회생 AC 시스템

^{1. SAE는 이러한 충전 모드를 레벨로 정의합니다. 레벨 1=모드 1, 레벨 2=모드 2 및 3, 레벨 3=모드 4}

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